模塊式超聲波電源的研究與設計

摘 要：當前，超聲波電源應用在多個領域中，為了使超聲波電源獲得更優(yōu)異的驅(qū)動性能，從而滿足工業(yè)作業(yè)需求，本文主要從模塊式超聲電源的阻抗匹配與頻率跟蹤2個方面進行研究。本文設計了一種LC串聯(lián)型匹配電路，實現(xiàn)了換能器的諧振匹配以及負載的最大功率輸出。同時，為了解決換能器長期運行導致固有諧振頻率偏移的問題，本文設計了一種復合控制方法，實現(xiàn)了頻率的實時調(diào)節(jié)與跟蹤。本文研制了1臺額定功率為800 W的樣機，實際測試結(jié)果表明，該超聲波電源達到了最佳功率輸出，并滿足電源對負載工作諧振頻率的實時跟蹤要求，對今后大功率超聲波電源的研究具有一定的促進作用。

關鍵詞：模塊式超聲波電源；匹配電路；頻率偏移；頻率跟蹤

中圖分類號：TB 553 " " 文獻標志碼：A

隨著電力電子技術的迅猛發(fā)展，超聲波電源的應用也得到了多樣化的發(fā)展。作為換能器的驅(qū)動，超聲波電源可以將輸入的工頻電轉(zhuǎn)化為換能器的固有諧振頻率的交流電，進而通過換能器將能量轉(zhuǎn)化為機械能，應用于人們的生活中。而換能器因其工作特性，它的一些等效參數(shù)會由于工作的環(huán)境、時間以及使用中的磨損產(chǎn)生變化，間接影響其工作狀態(tài)，導致?lián)Q能器工作效率降低，固有諧振頻率變化，縮短了換能器的使用壽命。因此，有必要設計一種匹配網(wǎng)絡和一種復合控制頻率跟蹤方法，使超聲波換能器始終工作在高效且穩(wěn)定的狀態(tài)。

1 超聲電源系統(tǒng)結(jié)構

超聲波電源系統(tǒng)結(jié)構包括整流橋濾波電路、降壓電路、全橋逆變電路、高頻變壓器、匹配網(wǎng)絡、采樣電路和控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示[1]。主電路由整流橋濾波模塊、降壓電路、全橋逆變模塊、高頻變壓器和匹配網(wǎng)絡組成，將220 V AC變換為換能器工作所需固有諧振頻率的高壓電。控制系統(tǒng)以TMS320F28027PTT為主控芯片。通過設計的鑒相器電路來得到負載端電壓與電流的相位關系，用一種復合控制方法調(diào)整PWM輸出頻率，控制DSP內(nèi)部的PWM模塊產(chǎn)生可實時變頻的PWM驅(qū)動信號。通過持續(xù)的反饋調(diào)整實現(xiàn)負載端電壓與電流同相位，完成對超聲波負載諧振頻率的實時跟蹤[2]。

2 匹配網(wǎng)絡設計

匹配網(wǎng)絡是連接超聲波電源和換能器之間的重要橋梁，超聲波電源能否高效、可靠地工作很大程度上取決于匹配網(wǎng)絡的設計[3]。LC串聯(lián)型匹配網(wǎng)絡的等效電路如圖2所示，由圖2可知，LC串聯(lián)型網(wǎng)絡與傳統(tǒng)的串聯(lián)電感網(wǎng)絡相比，增加了一個電容C2。

其中，換能器動態(tài)電感、換能器動態(tài)電容、換能器動態(tài)電阻和換能器靜態(tài)電容，這4種等效元件組成了換能器的實際模型。令靜態(tài)電容Cm=C2+C0。LC串聯(lián)型網(wǎng)絡可以看作靜態(tài)電容為Cm的換能器的串聯(lián)電感匹配。因此，在諧振點附近可以得到其等效阻抗，如公式（1）所示。

（1）

式中：Z為等效阻抗；R1為換能器動態(tài)電阻；ωs為諧振點；Cm為靜態(tài)電容；j為虛數(shù)單位；L1為換能器動態(tài)電感。

當諧振時，由Z的虛部=0可以得到電感，如公式（2）所示。

（2）

式中：L2為匹配電感。

此時負載的阻抗如公式（3）所示。

（3）

式中：Z1為負載的阻抗。

對比LC串聯(lián)型匹配網(wǎng)絡和傳統(tǒng)的串聯(lián)電感匹配，LC串聯(lián)型匹配網(wǎng)絡解決了串聯(lián)單個電感時出現(xiàn)阻抗變換不明顯的問題，應用比較普遍。因此，本次設計采用此方法[4]。

3 系統(tǒng)頻率跟蹤設計

在換能器工作的過程中，頻率的變化會直接影響其工作狀態(tài)。而頻率自動跟蹤技術可以實時監(jiān)測負載變化，實現(xiàn)頻率自動調(diào)節(jié)，確保超聲波電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，頻率自動跟蹤技術還可以避免溫度變化、負載變化等因素導致的頻率漂移或頻率失控，從而提高超聲波電源系統(tǒng)運行的精度和效率。因此，頻率自動跟蹤技術是超聲波電源系統(tǒng)正常工作的關鍵。

3.1 常用頻率跟蹤方法

目前，常用的頻率自動跟蹤方法主要有以下幾種。

電流控制法是一種基于負載電流的檢測方法，它通過檢測負載電流的幅值來確定輸出負載頻率的變化，也就是通過判斷線路上電流的有效值是否達到最大來確定換能器是否處于諧振狀態(tài)。在這種情況下，線路上的電流被用作反饋信號，根據(jù)其大小來調(diào)整逆變輸出的頻率。通過控制輸出頻率以適應電流的變化，從而有效地使換能器保持在諧振工作狀態(tài)。

相位鎖定環(huán)（PLL）頻率跟蹤法是目前常用的另一種頻率跟蹤的方法，用于將輸入信號的相位和頻率與參考信號同步。其工作原理可以分為3個部分：相位比較器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器（VCO）。首先，相位比較器用于比較輸入信號和參考信號的相位差，并產(chǎn)生1個誤差信號，該誤差信號表示2個信號之間的相位差異。其次，誤差信號經(jīng)過環(huán)路濾波器濾波后得到穩(wěn)定的控制電壓。環(huán)路濾波器通常是1個低通濾波器，其作用是平滑誤差信號，去除高頻噪聲，確保控制電壓變化的平穩(wěn)性。最后，控制電壓用于控制VCO的頻率，使VCO的輸出信號的相位與參考信號同步。VCO是1個自由振蕩器，其頻率受到控制電壓的調(diào)節(jié)。當控制電壓增大時，VCO的頻率提高，相位差變小；當控制電壓降低時，VCO的頻率降低，相位差增大。通過不斷調(diào)節(jié)控制電壓，最終實現(xiàn)輸入信號與參考信號的相位同步。

結(jié)合常用的頻率跟蹤方法與工程經(jīng)驗可知，電流控制法受負載變化的影響較大且采集速度較慢，常用于復合控制方法的輔助控制，一般不適用于對換能器系統(tǒng)進行單獨控制[5]。相位鎖定環(huán)頻率跟蹤法具有簡單的電路結(jié)構和易于實現(xiàn)的控制電路，跟蹤精度較高。然而，其跟蹤帶寬有限、動態(tài)響應較慢，導致電源的可靠性降低。

3.2 鑒相器電路設計

鑒相器電路的功能是獲取負載端電壓與電流之間的相位差α以及它們之間的超前或滯后關系。通過相應的采樣電路獲得負載端的電壓和電流信號。

通過采樣電路獲得的電壓和電流信號會被限制在5 V以下。這些信號分別通過VSENSE（采樣電壓）和ISENSE（采樣電流）端口，經(jīng)過由1對串聯(lián)式肖特基二極管BAT54S組成的電路進行限幅處理。信號通過由LM339組成的比較器，將電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為2組正負方波。使用雙通道數(shù)字隔離器NSI8120N將這2組正負方波調(diào)制為2組幅值為3.3 V的方波。這2組方波在相位上的差值即負載電壓與電流之間的相位差。為了進一步處理這些信號，將電流采樣信號經(jīng)過與非門，一路送到D觸發(fā)器TC7W74FU的D引腳，另一路與電壓采樣信號經(jīng)過與非門后的結(jié)果再次進行與非運算，得到的結(jié)果作為表示電壓超前或滯后電流相位差的信號phase。同時，電壓采樣信號的另一路被送到D觸發(fā)器的CLK引腳。D觸發(fā)器的Q引腳輸出端經(jīng)過與非門后得到的結(jié)果flag作為表示電壓與電流相位關系（超前或滯后）的信號。

將與非門的輸出信號phase連接到DSP的eCAP口，記錄捕獲的方波持續(xù)時間并將其轉(zhuǎn)換為相應的角度，即此時電壓和電流之間的相位差大小。將D觸發(fā)器的輸出信號flag送到DSP的GPIO口，以便判斷調(diào)整逆變頻率變化的方向。當flag為高電平時表示電壓超前電流，為低電平時表示電流超前電壓。DSP獲取這2項信息以進行進一步的處理。

3.3 頻率跟蹤原理設計

系統(tǒng)的頻率跟蹤程序框如圖3所示。該超聲波電源采用電流控制法與鎖相式PI頻率跟蹤法相結(jié)合的復合控制方法，對負載端的輸出頻率進行調(diào)整與跟蹤。

電源啟動后，初始輸出頻率為f。根據(jù)阻抗分析儀測量出負載的固有頻率f0，控制器根據(jù)獲取的相位差的大小判斷先進行粗略調(diào)頻還是精確調(diào)頻。電流控制法的原理是，換能器在諧振頻率附近有一個阻抗最小的諧振頻率點。當輸出電壓幅值固定時，通過識別電壓和電流之間的相位差大小來調(diào)整相應的步距，改變輸出電壓的頻率，搜索當前電流最大點的頻率，即阻抗最小的諧振頻率點。在電流控制法完成跟蹤后，采用更精確的跟蹤方法，即鎖相式PI頻率跟蹤法。根據(jù)電源負載端的工作特性，DSP的GPIO口通過識別flag信號的正負來判斷負載是呈容性還是感性。如果電壓超前電流，則負載呈感性，此時應降低超聲波電源的輸出頻率；如果電壓滯后電流，則負載呈容性，此時應調(diào)高超聲波電源的輸出頻率。

4 試驗結(jié)果及結(jié)論

根據(jù)上述理論的分析，筆者研制了1臺800 W的模塊式超聲波電源。換能器的等效參數(shù)如下：動態(tài)電感L1=6.39 mH、動態(tài)電容C1=13.674 9 μF、動態(tài)電阻R1=18.67 Ω、靜態(tài)電容C0=41.514 "μF，換能器的固有諧振頻率f0=17 630 Hz。經(jīng)過公式（1）～公式（3）計算可知，匹配電感L1=1.07 mH、匹配電容C1=83 μF、BUCK電感取290 μH。

對該電源進行試驗，實測逆變輸出端電壓為方波、電流為正弦波（如圖4所示）。電壓幅值為160 V，電流幅值為5 A。從圖4的波形可以看出，電壓相位與電流相位一致，實現(xiàn)了換能器的諧振匹配，并保證了較高的功率因數(shù)輸出。換能器端電壓與電流的波形如圖5所示，換能器端電壓幅值為550 V，流過換能器的電流為2 A。從圖5的波形可知，換能器電流相位超前于電壓相位，表明整個換能器呈現(xiàn)弱容性負載，這符合之前的理論分析。

當負載發(fā)生變化時，復合控制頻率跟蹤法能夠迅速跟蹤負載頻率的變化。試驗結(jié)果證明，該電源具有優(yōu)異的驅(qū)動性能，能夠?qū)崿F(xiàn)最佳功率輸出與負載輸出頻率的跟蹤，滿足工業(yè)作業(yè)的要求。此外，本文對大功率超聲波電源的研究與設計也具有一定的促進作用。

參考文獻

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[4]張志恒.用于清洗的高頻超聲波電源的研究[D].北京：北京交通大學，2016.

[5]侯光華，杜貴平，羅杰.超聲波電源的改進頻率跟蹤方法[J].電源學報，2019，17（1）：152-158.